안녕하세요 설효훈 전문가입니다.
물리
Q. 카본배트가 더 멀리 날아가는 이유
안녕하세요. 설효훈 과학전문가입니다. 2000년에 처음 등장한, 일명 도깨비 방망이라 불리는 'E'사의 야구 배트는 이전과는 완전히 수준이 다른 놀라운 반발력을 보였다. 이 야구 배트에 집약된 기술은 바로 새로운 합금소재로 만들어 낸 얇은 금속 표면에 있었다. 야구 배트의 금속면을 최대한 얇게 만들어서 투수가 던진 공이 방망이 표면에 맞는 순간, 살짝 찌그러지면서 공을 머금었다가 이 합금재질이 가진 복원력에 의해 반발력을 극대화시키는 것이다. 해당 야구 배트는 이러한 트램폴린 효과를 극대화시켜 타구의 비거리를 획기적으로 늘려주게 된다. 내부 보강재질로 카본 섬유를 번갈아가며 덧댄 형식으로 내구성을 보강한 것 또한 이를 '도깨비 방망이'라 부를 만 했다.문제는 내구성이었다. 이후 단순히 합금소재를 가지고 배트의 벽을 얇게 만드는 데는 한계가 있다는 점이 드러나면서, 배트 소재를 단순히 알로이(알루미늄) 합금성분이 아닌 카본 섬유를 섞은 컴포지트(composite) 소재로 개선하려는 노력들이 이어겼다. 여러 가지 물질을 섞어서 만든 합금을 컴포지트라고 하는데 통상적으로는 카본 배트를 의미한다. 컴포지트 배트는 금속물질처럼 때릴수록 점점 반발력이 늘어나는데 추운 겨울에는 내구성이 현저히 떨어진다는 치명적인 단점을 가지고 있었다. 따라서 여기에 롤링이라는 인위적인 튜닝을 통해 내구성에 대한 단점이 보완되면서 야구배트 시장은 컴포지트가 주도하는 분위기로 점차 바뀌었다. 알로이(알루미늄) 합금기술력과 소재의 변천과정은 야구 배트의 성쇠를 좌우하는 주요한 요인이다. 하지만 이제 고반발력에만 포커스를 맞춘 배트를 출시하기엔 무리가 따르는 상황이 됐다. 지금은 금속 배트의 반발력을 거의 나무 배트 수준까지 떨어뜨리는 것을 목표로 하는 게 미국 야구계의 규제 목표이기 때문이다. 이러한 장점에도 불구하고 프로야구는 알루미늄 배트를 받아들이지 않았다. 메이저리그의 역사적인 기록들이 엉망이 될 수도 있다 는 이유에서였다. 뿐만 아니라 도구가 아닌 인간의 능력에 의해 기량을 겨뤄야 한다는 생각도 이러한 이유에 포함됐다. 하지만 알루미늄 배트의 사용은 프로야구에도 영향을 미친 게 사실이다. 알루미늄 배트를 사용하는 아마추어에서 야구를 하던 선수들이 나무 배트를 사용하는 프로야구에 올라와서 적응을 해야 했기 때문이다. 투수의 경우는 더 심각한 모습으로 나타났다. 어떻게든 맞춰서 때려내는 타자들 탓에 바깥 쪽 피칭이 증가한 것. 새로 메이저리그에 진입한 투수들에게서 점차 인사이드 피칭을 찾아보기 힘들어진 것이다.한국에서도 1976년부터 본격적으로 알루미늄 배트가 도입됐다. 알루미늄 배트는 중심에서 벗어난 빗맞은 타구마저 외야까지 날아가게 만들었다. 알루미늄 배트의 사용으로 홈런이 늘어나면서 투수들은 달라진 상황에 적응해야 했다. 이에 대한야구협회는 알루미늄 배트의 사용을 금지시켰다. 이유는 선수보호와 공정성. 나무배트는 타격 중심이 하나지만, 알루미늄 배트는 타격 포인트가 3곳이기 때문에 타자들이 안타와 홈런을 많이 생산하게 되고 상대적으로 투수들이 혹사되는 일이 많았으며 공정한 경쟁이 이뤄지지 않는다는 것이다. 그렇게 한국프로야구는 원년인 1982년부터 지금까지 줄곧 나무 배트가 사용되고 있다.출처 : 한국재료연구원 - [연구성과스토리] 바야흐로 야구 시즌! 야구에도 재료과학이?!
전기·전자
Q. 고속 충전기 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 설효훈 과학전문가입니다. 고속충전기와 일반충전기의 충전원리는 다음과 같습니다. 예로 1000mAh의 리튬이온 배터리를 장착한 스마트폰이 있습니다. 이 배터리를 전압(V)과 전류(I)의 곱인 용량(P)으로 나타내면 다음과 같습니다. 3.7V x 1A= 3.7Wh 즉 1000mAh의 배터리는 정격전압 일때의 용량으로 표시하면 3.7Wh입니다. 마찬가지로 3000mAh의 배터리는 3.7V x 3A = 11.1Wh 입니다. 이 배터리를 일반충전기와 고속충전기로 충전시켜 보겠습니다. 일반충전기는 충전전압이 5V이며 1A의 충전전류로 배터리를 충전한다고 했을때 충전기의 충전용량은 5V x 1A = 5W입니다. 이 일반충전기로 위의 1000mAh(3.7Wh) 배터리를 충전한다고 하면 3.7Wh/5W = 0.74h(hour) = 44.4분 걸립니다., 즉 1000mAh 배터리를 일반 5W 유선충전기로 충전하면 44.4분 걸립니다. 3000mAh(11.1Wh)를 동일하게 충전하면 11.1Wh/5W = 2.22h = 2시간13분 걸립니다. 고속충전기는 충전전압을 5V가 아닌 9V로 올려 충전합니다. 전압을 9V로 올렸지만 충전전류는 그대로 1A가 흐른다고 했을때 충전기의 충전용량은 9V x 1A = 9W입니다. 이 고속충전기로 위의 1000mAh(3.7Wh) 배터리를 충전한다고 하면 3.7Wh/9W = 0.41h =41분, 즉 1000mAh 배터리를 9W 고속충전기로 충전하면 41분 걸립니다. 3000mAh(11.1Wh)를 동일하게 충전하면 11.1Wh/9W = 1.23h = 1시간13분 걸립니다.[ 정리 ]1000mAh 배터리를 5W 유선충전기로 충전하면 44분 / 9W 고속충전기로 충전하면 41분 걸린다.(차이가 3분으로 작다)3000mAh 배터리를 5W 유선충전기로 충전하면 2시간13분 / 9W 고속충전기로 충전하면 1시간13분 걸린다. ( 차이가 1시간으로 크다) 같은 전류(1A)로 충전한다고 했을때 충전 전압을 올리면(5V -> 9V) 더 빨리 충전할 수 있습니다. 이것이 고속충전기의 원리입니다. 물론 더 큰 충전전류로 충전할수도 있지만 전류를 증가시키는것은 열 발생 및 대전류에 견디는 부품 개발등이 어렵기 때문에 상대적으로 쉬운 전압을 올려서 더 빠르게 충전하는 방법을 사용하고 있습니다.출처 : KIT LAB - 고속충전기의 원리가 궁금합니다.
화학
Q. 식물은 태양 에너지를 어떤 방식으로 이용하나요?
안녕하세요. 설효훈 과학전문가입니다. 식물이 살아가는 데 필요한 영양분을 얻기 위해서는 이산화탄소와 물, 빛 에너지가 필요해요. 빛에너지를 이용하여 이산화탄소와 물로 포도당을 합성하는 과정을 ‘광합성’이라고 하는데, 광합성은 빛에너지를 화학 에너지로 바꾸는 역할을 해요. 광합성은 잎을 구성하는 세포에 많이 들어 있는 엽록체의 엽록소에서 일어나서 엽록소가 없는 곳에서는 광합성이 일어나지 않아요. 따라서 잎이 누렇게 되거나 검게 변한 곳에서는 광합성이 일어나지 않는답니다.광합성에 필요한 물질인 이산화탄소는 잎의 뒷면에 있는 기공을 통해 잎으로 들어오고, 물은 뿌리에서 흡수된 후 줄기를 따라 올라오게 돼요. 이산화탄소와 물을 이용하여 포도당이 합성될 때 그 과정에서 산소와 물이 만들어지게 되는데, 광합성 반응 전에 물의 양은 광합성 후에 만들어지는 물의 양보다 많아요. 그래서 광합성을 반응식으로 나타낼 때는 반응에 필요한 물질을 적는 쪽에만 물을 쓰기도 합니다.합성을 통해 만들어진 포도당은 더 큰 분자인 녹말이나 설탕으로 만들어져서 줄기에 있는 체관을 통해 식물 전체로 이동돼요. 광합성 결과로 만들어진 산소는 기공을 통해 식물의 몸 밖으로 나가거나 식물 자신이 호흡하는 데 사용됩니다. 물은 다시 광합성에 사용되거나 수증기의 형태로 기공을 통해 식물 몸 밖으로 나간답니다.출처 : 교육부 블로그 - 광합성의 발견
전기·전자
Q. 뚜껑을 덮고 전자레인지에 돌리면 더욱 빨리 가열되는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요. 설효훈 과학전문가입니다. 전자렌지는 음식의 수분을 진동시켜서 열에너지를 운동에너지로 바뀌면서 물체의 열이 발생되는 것입니다. 결국 물이 열을 받아 수증기가 되면서 음식이 열이 발생되는 것인데,,,뚜껑을 닫고 열이 전달되어 물이 수증기가 되면 그 안에서 나가지 못하고 그 열이 지속적으로 유지되면서 더 빨리 음식의 열이 오르는 것입니다. 뚜껑을 열면 수증기가 전자렌지에 퍼지면서 열이 밖으로 나가 뚜껑을 닫았을 떄 보다 더 느리게 음식의 온도가 올라가는 것입니다.
생물·생명
Q. 먹이사슬에서도 서로 먹고 먹히는 관계가 만들어지면 먹이사슬이 깨진 건가요?
안녕하세요. 설효훈 과학전문가입니다. 먹이 사슬은 말그대로 먹이 사슬이 되는건데요. 이런 먹이사슬은 하나의 먹이사슬이 깨진다고 해서 완전히 꺠지는 것이 아닙니다. 먹이 사슬도 여러가지 먹이 사슬이 얽혀 있어서 하나의 먹이 사슬이 꺠진다고 해서 먹이 사슬이 완전히 꺠지는 것이아닙니다. 그리고 물고기가 뱀을 먹는다고 해도 일부 물고기가 그런것이지 모든 물고기가 그런것이 아니고 또한, 문어와 독수로도 똑같습니다. 이런것은 먹이사슬에서 개체수가 완전이 한쪽이 살아남아서 깨지는 현상이 발생되는 것이아닙니다.
생물·생명
Q. 냉동인간 상태로 유지하는 것은 신체에 악영향이 없나요?
안녕하세요. 설효훈 과학전문가입니다. 냉동인간의 소생이 어려운 가장 큰 이유는 보통 액체가 응고되면 부피가 감소하는 것과 달리 물은 얼음이 되면 부피가 오히려 증가하는 독특한 특성에서 기인한다. 페트병의 물을 얼렸을 때 페트병이 빵빵하게 부풀어오르는 것은 잘 알 것이다. 그리고 문제는 인체의 70%도 수분이라는 것이다. 냉동과정에서 살아있는 세포를 얼렸을 때도 똑같은 현상이 일어나 모든 세포의 세포막이 찢어져버린다. 때문에 얼어버린 동물은 겉모양은 멀쩡해 보여도 내부조직은 이미 엉망진창이 되어 있어 체온 문제는 말할 것도 없고 녹여도 살 수 없다. 부피 증가뿐만 아니라 물은 얼면서 뾰족한 결정을 형성하는 특성 또한 있어서 세포막이 이런 뾰족한 얼음에 찢어져버린다. 때문에 현재 냉동인간을 만들 때에는 시신의 수분을 거의 대부분 제거하고 냉동 과정에서 세포막을 손상시키지 않는 다른 액체를 채워넣은 뒤 냉동한다. 이 방법으로 세포 조직 손상을 막는 것까지는 좋은데... 문제는 이 액체가 살아있는 인간 기준으로 치명적인 독성 물질이라는 것이다. 그냥 마시기만 해도 위험한 걸 대놓고 몸에 채워넣는다고 생각해보자. 간단히 생각해서 살아있는 인간의 몸에서 피를 포함한 모든 물을 뽑아낸 후 자동차 부동액같은[19] 다른 액체를 채워넣는 수준이라고 보면 된다. 이렇게 되고 살아남을 방법은 없으며, 이렇게 냉동된 인간을 소생시키기 위해서는 세포조직에 손상을 주지 않으면서 그 액체를 남김없이 모두 제거한 뒤 다시 물을 채워넣으면서 해동시키는 수준의 기술이 필요하다.출처 : 나무위키 - 냉동수면
화학
Q. 곰팡이는 어떤 원리로 생기는 건가요?
안녕하세요. 설효훈 과학전문가입니다. 영양분을 공급하기 위해 탄소를 함유 한 산소 및 유기 물질 외에, 성장해야 하는 다른 주요 요구 사항은 수분(moisture)입니다. 충분한 수분 공급원이 있으면 거의 모든 곳에서 곰팡이가 자라는 것을 알 수 있습니다. 습기 문제가 없으면 집에서 곰팡이 문제가 발생하기가 어렵습니다. 수분의 축적은 습기, 응축 또는 누수, 유출, 홍수 등으로 인한 물 침입으로 인해 발생할 수 있습니다. 대부분의 곰팡이는 24-48 시간 동안 수분이 공급되면 자랄 수가 있습니다. 수분 공급원으로서 습도만으로도 살아남을 수 있는 곰팡이는 호기성 (Xerophilic)이라고 불리는 반면, 다른 곰팡이는 자라기 위해서는 일정량의 수분 축적이 필요합니다. 실내에서 곰팡이가 자라는 것을 막는 가장 좋은 방법은 수분을 제한하는 것입니다. 습기 외에도 곰팡이는 자라기 직전에는 적당한 온도가 필요합니다. 곰팡이는 우리가 따뜻하다고 생각하는 온도에서 가장 잘 자라지 만 섭씨 2 도의 낮은 온도에서도 자랄 수 있는 곰팡이도 있습니다. 곰팡이 서식지의 환경 조건이 좋지 않으면 죽지 않고 계속 자랄 수 있는 조건이 될 때까지 휴면 상태가 될 수 있습니다. 한마디로 곰팡이의 성장 조건은 수분, 영양분, 산소 ^^ 그중에서 가장 중요 한 요건을 뽑는다면? 네... 수분입니다.출처 : 대한곰팡이협회 - 곰팡이에 대한 기본 상식
지구과학·천문우주
Q. 금성과 천왕성은 다른 행성들과 다르게 자전방향이 다른 이유가 있나요?
안녕하세요. 설효훈 과학전문가입니다. 행성의 자전은 초창기 생성 시 가스 및 먼지들이 뭉치면서 형성되는데 이때 회전을 하면서 결정되었다고 추정합니다. 그리고 금성과 천왕성이 자전하는 모습이 다른 행성과 다른 이유는 아직까지 정확히 확인된 사항은 없고 가설로 추정중입니다. 그중에 제일 많이 이야기되는 것이 소행성충돌설 입니다. 원래는 다은 행성들과 같이 같은 자전 방향이 같았는데 소행성 충돌로 인해서 자전축이 기울어 졌다는 것입니다. 소행성이 금성과 천왕성에 충돌을 하고 그로인해서 자전축이 비스듬해지면서 지금처럼 다른 향성과 다르게 반대로 회전한다는 설입니다.
지구과학·천문우주
Q. 가스행성인 천왕성과 해왕성의 색깔이 다른 이유가 무엇인가요?
안녕하세요. 설효훈 과학전문가입니다. 해왕성의 대기는 천왕성의 대기와 매우 비슷하다. 80%정도가 수소로 구성 되어 있고, 약 19%는 헬륨 나머지는 에탄, 메탄 등으로 이루어져 있다. 그리고 대기의 적색광 흡수와 청색의 반사로 인해 해왕성은 전체적으로 청색을 띈다. 천왕성의 대기에는 수소가 약 83%, 헬륨이 15%, 메탄 2% 등이 포함되어 있다. 그리고 반사율이 높은 암모니아와 황이 대기의 깊숙이 있을 것이다. 천왕성의 대기는 태양빛의 적색 파장을 흡수하고 청색과 녹색의 파장들의 상당량을 반사하기 때문에 전체적으로 청녹색을 띈다.출처 : 천문우주지식정보 - 천왕성, 해왕성
생물·생명
Q. 엘니뇨나 라니냐 같은 자연 재해와 같은 현상을 예방할 수 있는 방법은 무엇인가요?
안녕하세요. 설효훈 과학전문가입니다. 기상청이 2016년 6월 23일에 발표한 3개월 전망에 따르면 늦더위가 심하며 8월과 9월에 국지성 호우가 자주 내릴 것으로 예측되었다고 하는데요. 앞서 말씀드린 것처럼 슈퍼 엘니뇨가 사라지고 라니냐 현 상이 나타남에 따라 일어나는 현상으로 볼 수 있답니다. 온실가스, 이산화탄소의 증가로 인한 지구온난화가 원인 이라고 볼 수 있는 '엘니뇨'와 '라니냐'는 현상은 태평양 바닷물의 온도의 변 화로 인해 나타난답니다. 엘니뇨와 라니냐 현상을 줄이기 위해 우리가 할 수 있는 일은 없을까요? 당연히 있죠~! 바로 엘니뇨와 라니냐의 원인으로 손꼽히 는 지구온난화를 예방하는 것!! 온실가스를 줄이기 위한 저탄소 녹색 생활을 실천하고, 쿨맵시와 탄소포인트제 등에 참여하는 하는 것이죠~출처 : 대구이야기 - 올여름 기상이변이 찾아온다고 ?! 엘니뇨와 라니냐 현상의 원인과 대책